Aktuelle Veranstaltungen

Farmers around the world are struggling with the consequences of climate change. In addition to heat and drought, pests are causing crop losses. The EU-funded research project ‘UPSCALE’, led by Justus Liebig University Giessen (JLU), shows how food security can be ensured and agriculture made sustainable and resilient in East Africa. The international consortium of 19 partners in ten countries is developing and testing agroecological strategies to make agricultural systems more resilient and sustainable.

Biological pest control with integrated cropping system

At the heart of the project is push-pull technology – an integrated cropping system that controls pests without chemical pesticides while increasing yields and soil fertility. By combining cereals, legumes and companion plants, pests are repelled from the main crop by volatile substances that repel (push) them. At the same time, the pests are attracted to marginal plants that are attractive to them (pull).

‘We have already achieved important successes in the UPSCALE project that have increased the flexibility and adaptability of the technology, for example by integrating the system into legume, agroforestry and high-value vegetable cropping systems,’ says Emily Poppenborg Martin from JLU, who coordinates the project. ‘We have also been able to show how and where push-pull agroecology innovations can be scaled up most effectively.’

Integration into regional and national agricultural systems

The EU UPSCALE project has been running since 2020 and is scheduled to continue until April 2026. Participatory platforms that bring together stakeholders from agriculture, research and politics play a central role in this. This approach aims to ensure that push-pull technology is accepted in the long term and that agroecological principles are incorporated into regional and national agricultural systems. The team was recognised for its progress in October at the African Union (AU) and EU Innovation Fair in Brussels.

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Im ökologischen Gemüsebau stellt die Unkrautbekämpfung eine große Herausforderung dar. Da auf chemische Herbizide verzichtet wird, müssen Beikräuter meist von Hand entfernt werden. Diese Arbeit ist besonders auf großen Flächen sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Das Projekt JaetRobi vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie aus Potsdam (ATB) und der Technischen Universität (TU) Berlin möchte hier Abhilfe schaffen: Ein Modul soll das manuelle Hacken künftig überflüssig machen. 

KI und blaue Laser 

Das Prinzip der maschinellen Unkrautbekämpfung funktioniert so: Ein mit Kamera ausgestattetes Modul auf Traktoren oder Feldrobotern nimmt während der Fahrt Bilder auf. Diese werden in Echtzeit mittels KI von einem integrierten Rechner analysiert. Er erkennt Unkräuter und steuert ein präzises Werkzeug, das die Pflanzen punktgenau entfernt. 

Eingesetzt werden blaue Diodenlaser, deren Licht besonders gut vom Pflanzengewebe absorbiert wird. Im Gegensatz zu Infrarot-Lasern dringt das blaue Licht direkt in das Gewebe ein, damit ist weniger Energie erforderlich und Hitzeschäden an den Kulturpflanzen werden vermieden. Dadurch kann der Laser sehr dicht an den Nutzpflanzen arbeiten. „Unser Einsatzszenario konzentriert sich auf Unkräuter vom Keimblattstadium bis zum Erscheinen der ersten echten Blätter“, schildert Karuna Koch, Wissenschaftlerin am ATB und Expertin für Computer Vision und maschinelles Lernen. „Damit wir diese während der Überfahrt präzise von beispielsweise Möhren unterscheiden können, haben wir eine Bilddatenbank erstellt und eine KI trainiert, die inzwischen mit 94 Prozent Genauigkeit Unkraut von Möhren unterscheidet.“

Könnte Biodiversität fördern

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Weed control is a major challenge in organic vegetable farming. Since chemical herbicides are not used, weeds usually have to be removed by hand. This work is very time-consuming and cost-intensive, especially on large areas. The JaetRobi project from the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy in Potsdam (ATB) and the Technical University (TU) of Berlin aims to remedy this situation: a module is set to make manual weeding a thing of the past. 

AI and blue lasers

The principle of mechanical weed control works as follows: a module equipped with a camera on tractors or field robots takes pictures while driving. These are analysed in real time by an integrated computer using AI. It recognises weeds and controls a precise tool that removes the plants with pinpoint accuracy. 

Blue diode lasers are used, as their light is particularly well absorbed by plant tissue. Unlike infrared lasers, blue light penetrates directly into the tissue, requiring less energy and preventing heat damage to the crops. This allows the laser to work very close to the crops. ‘Our application scenario focuses on weeds from the cotyledon stage to the appearance of the first true leaves,’ explains Karuna Koch, scientist at ATB and expert in computer vision and machine learning. ‘In order to be able to distinguish them precisely from carrots, for example, during the crossing, we have created an image database and trained an AI that now distinguishes weeds from carrots with 94 percent accuracy.’

Could promote biodiversity

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Methanol ist ein wertvoller Syntheserohstoff in der chemischen Industrie, der auch als Lösungsmittel und Treibstoff Verwendung findet. Künftig könnte Methanol aus pflanzlichen Roh- und Reststoffen einen Teil der derzeit auf fossilen Rohstoffen basierenden Chemikalie ersetzen. Hier setzt das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Programms „WIR! – Innovation und Strukturwandel“ geförderte Bündnis „biogeniV“ an.

Zwei Projekte, ein Ziel

Nun sind zwei neue Forschungsvorhaben gestartet, die vom BMFTR jeweils bis 2028 mit insgesamt rund 1,8 Mio. Euro gefördert werden. Beide Projekte haben das Ziel, bislang kaum oder ineffizient genutzte biogene Reststoffe, wie Gärreste aus regionalen Biogasanlagen, in hochwertige chemische Energieträger wie grünes Methanol zu verwandeln.

Neue Technologien zur Nutzung biogener Reststoffe

Das Projekt „Reststofftrocknung“ erhält rund 514.000 Euro und wird vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) koordiniert. Gemeinsam mit der Cosun Beet Company Anklam und der mele Energietechnik werden darin Verfahren zur energieeffizienten Entwässerung, Trocknung und Verdichtung anfallender Gärreste wie aus der Zuckerproduktion entwickelt. „Durch die Mischung der Gärreste mit regional anfallenden Reststoffen wie Straßenbegleitholz, Landschaftspflegematerial oder industriellen Reststoffströmen können gezielt chemische und energiespezifische Eigenschaften beeinflusst und verändert werden. Zudem entsteht ein homogenes, lager-, dosier- und förderfähiges Produkt, was optimal in einer Gasifizierung eingesetzt werden kann“, erklärt Projektleiterin Claudia Kirsten vom DBFZ.

Das zweite Projekt mit dem Titel „Reststoffgasifizierung“ wird von der TU Bergakademie Freiberg geleitet und mit rund 1,3 Mio. Euro gefördert. Zusammen mit der Hochschule Stralsund, dem Institut für Regenerative Energiesysteme und der Cosun Beet Company werden hier neue Vergasungstechnologien zur Verwertung biogener Reststoffe entwickelt und erprobt. „Biogene Reststoffe werden zukünftig eine zentrale Rolle spielen, da ihre Nutzung kostengünstiger ist als die rein strombasierte Herstellung von grünem Methanol“, betont Daniel Fink, Produktionsleiter Bioenergie bei der Cosun Beet Company Anklam.

Grünes Methanol als Schiffstreibstoff

Aufgrund der Nähe zur Ostsee und zu den Binnenschiffrouten wird in der Herstellung von grünem Methanol ein großes Potenzial für die Region Mecklenburg-Vorpommern gesehen und die Chance, „zu einer Modellregion für neue, nachhaltige Wertschöpfungsketten basierend auf grünem Methanol“ zu werden.

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Methanol is a valuable synthetic raw material in the chemical industry, which is also used as a solvent and fuel. In future, methanol produced from plant-based raw materials and residues could replace some of the chemicals currently based on fossil raw materials. This is where the ‘biogeniV’ alliance, funded by the Federal Ministry of Research, Technology and Space (BMFTR) as part of the ‘WIR! – Innovation and Structural Change’ programme, comes in.

Two projects, one goal

Two new research projects have now been launched, each of which will receive a total of around 1.8 million euros in funding from the BMFTR until 2028. Both projects aim to convert biogenic residues that have been little used or used inefficiently to date, such as fermentation residues from regional biogas plants, into high-quality chemical energy sources such as green methanol.

New technologies for utilising biogenic residues

The ‘Residue Drying’ project is receiving around €514,000 in funding and is being coordinated by the German Biomass Research Centre (DBFZ). In collaboration with Cosun Beet Company Anklam and mele Energietechnik, the project is developing processes for the energy-efficient dewatering, drying and compaction of fermentation residues, such as those produced during sugar production. ‘By mixing the fermentation residues with regionally produced residues such as roadside wood, landscape maintenance material or industrial waste streams, chemical and energy-specific properties can be specifically influenced and modified. In addition, a homogeneous product is created that can be stored, dosed and transported, which is ideal for use in gasification,’ explains project manager Claudia Kirsten from the DBFZ.

The second project, titled ‘Residual Material Gasification,’ is led by the TU Bergakademie Freiberg and funded with around 1.3 million euros. Together with the Stralsund University of Applied Sciences, the Institute for Renewable Energy Systems and the Cosun Beet Company, new gasification technologies for the utilisation of biogenic residues are being developed and tested here. ‘Biogenic residues will play a central role in the future, as their use is more cost-effective than the purely electricity-based production of green methanol,’ emphasises Daniel Fink, Bioenergy Production Manager at Cosun Beet Company Anklam.

Green methanol as marine fuel

Due to its proximity to the Baltic Sea and inland waterways, the production of green methanol is seen as having great potential for the Mecklenburg-Western Pomerania region and an opportunity to become ‘a model region for new, sustainable value chains based on green methanol’.

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Leinöl ist allgemein als nährstoffreiches Pflanzenöl bekannt. Es wird aus gepressten Leinsamen gewonnen und ist reich an ungesättigten Fettsäuren sowie Antioxidantien. Derzeit werden die Reststoffe der Ölproduktion, die Leinsamenpresskuchen, entsorgt. Forschende aus Deutschland und Polen sind jedoch überzeugt, dass diese vermeintlichen Abfälle ebenfalls wichtige Nährstoffe enthalten und damit eine vielversprechende Rohstoffquelle sind. Im Projekt „Flaxinuum“ will daher ein Team der Universität Greifswald und der Pommerschen Medizinischen Universität Stettin mit Industriepartnern aus dem Leinsamenpresskuchen neuartige, pflanzenbasierte Lebensmittel entwickeln.

Bioaktive Produkte mit gesundheitsfördernden Eigenschaften

„Der Leinsamenpresskuchen ist ein vielversprechendes Element in der Herstellung einer neuen Generation funktioneller Lebensmittel. Wir wollen daraus bioaktive Produkte mit gesundheitsfördernden Eigenschaften entwickeln“, erklärt Sebastian Günther von der Universität Greifswald. Ziel ist es, innovative regionale Lebensmittel zu schaffen, die alternative Proteinquellen, Probiotika und wertvolle Pflanzeninhaltsstoffe vereinen.

Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz fördern

Die neuen Produkte sollen nicht nur die Nachfrage nach alternativen Proteinen bedienen. Sie sollen vor allem Menschen ansprechen, die sich ganz bewusst pflanzenbasiert ernähren oder verstärkt auf Funktionalität und Gesundheit achten, darunter auch ältere Verbraucherinnen und Verbraucher. Mit der Nutzung der Rückstände der Ölproduktion setzt das Projekt neben der Entwicklung innovativer Ernährungsangebote auf Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz. „Durch die Umsetzung des Projekts Flaxinuum werden in Europa einzigartige Lebensmittelprodukte entstehen, die sowohl den polnischen als auch den deutschen Markt revolutionieren können“, betont Paweł Kwiatkowski von der Pommerschen Medizinischen Universität Stettin.

Das Projekt ist im Oktober gestartet und wird im Rahmen des Programms Interreg Polen–Mecklenburg-Vorpommern/Brandenburg bis 2028 mit rund 2 Mio. Euro gefördert. Die MICROMUN – Institut für Mikrobiologische Forschung GmbH und die BioResQ gGmbH sind als Industriepartner beteiligt.

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Bei der Herstellung von Textilien werden bis heute Chemikalien genutzt, die Gesundheit und Umwelt gleichermaßen schädigen können. Dazu zählen auch per- und polyfluorierte Alkyls-stanzen (PFAS). Die sogenannten Ewigkeitschemikalien werden vor allem im Outdoor-Bereich verwendet, um das Textil mit wasser- oder schmutzabweisenden Eigenschaften auszustatten. Eine nachhaltige Alternative zu PFAS ist das Biopolymer Chitosan, das aus Krabbenschalen oder Insekten gewonnen wird. Im Projekt HydroFichi hatte ein Team um Achim Weber vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) bereits demonstriert, dass mithilfe des Biopolymers Textilien mit wasserabweisenden Funktionen veredelt werden können. Schon damals war klar: Das Potenzial von Chitosan ist weitaus größer.

Neue Anwendungsbereiche von Chitosan erschließen

Im Nachfolgeprojekt ExpandChi wollten die Fraunhofer-Forschenden gemeinsam mit Partnern nun den Anwendungsbereich von Chitosan in der Textilindustrie um nachhaltige und biobasierte Beschichtungen erweitern. Dafür sollte das im Vorgängerprojekt entwickelte Verfahren zur Modifizierung von biobasiertem Chitosan als Funktionsträger zur Anbindung hydrophober Moleküle weiterentwickelt werden.

Das Verbundprojekt wurde vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ über die Fördermaßnahme „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ von 2021 bis 2024 mit rund 747.000 Euro gefördert. Daran beteiligt waren das Deutsche Institut für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) sowie die Unternehmen J. G. Knopf’s Sohn GmbH & Co. KG in Helmbrechts und die Textilchemie Dr. Petry GmbH in Reutlingen.

Mit Quervernetzern Funktionalität des Chitosans verbessern

„Wir konnten in HydroFichi Textilien zwar hydrophob ausstatten, sodass sie gut wasserabweisend sind“, erklärt Projektkoordinator Achim Weber. „Aber die Waschbeständigkeit und der Griff waren nicht ideal.“ Im Projekt ExpandChi ging es deshalb darum, den Funktionalisierungsgrad des Chitosans so zu erhöhen, dass die Chitosan-basierten hydrophoben Moleküle, die auf das Textil gebracht wurden, beim Reinigen nicht wieder abgewaschen werden. „Wichtig war auch eine homogene Verteilung von Chitosan auf dem Textil, sodass es einen guten Griff hat, wenn man es anfasst, und der Prozess in der Textilindustrie skalierbar ist.“

Im Fokus des Vorhabens stand die Modifikation des Chitosans mit chemischen und biobasierten Quervernetzern. Diese, so erklärt der Forscher, sorgen dafür, dass das Chitosan mit dem Textil, zum Beispiel Baumwolle, kovalent verknüpft wird, also nicht abgewaschen werden kann. 

Der Bausektor ist eine äußerst rohstoffintensive Branche und trägt erheblich zu den Treibhausgas-Emissionen bei. Derweil gibt es schon heute eine Vielzahl an Baustoffen, die nachhaltig, kreislauffähig und auch regional verfügbar sind. Einen Überblick solcher Baustoffe bietet die Materialbibliothek der Fakultät für Architektur des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), die ab sofort für Interessierte kostenlos auch online zugänglich ist.

Leichter Zugang zu mehr Informationen

„Auch wenn die haptische Erfahrung von Materialität nicht zu ersetzen ist: Die digitale Bereitstellung der KIT Materialbibliothek ist ein enorm sinnvoller Schritt. Sie erweitert den Zugang und die Verfügbarkeit unserer Sammlung, ermöglicht ein Mehr an Materialinformation und erleichtert die Integration in digitale Entwurfsprozesse“, erklärt Dirk E. Hebel, Inhaber der Professur für nachhaltiges Bauen am Institut Entwerfen und Bautechnik des KIT.

Nachhaltige Baustoffe im Fokus

Im Fokus der Sammlung stehen Materialien des nachhaltigen Bauens, darunter biologisch abbaubare und technisch wiederaufbereitbare Stoffe aus allen relevanten Materialklassen. Sie enthält 115 Baustoffe, die nach Schwerpunkten und Materialklassen unterteilt sind. Dazu gehören beispielsweise Baustoffe aus Hölzern und Gräsern, aber auch Pilz-Werkstoffe und Biokunststoffe. Darüber hinaus gibt es umfassende Informationen zu Herkunft und Lebenszyklus der unterschiedlichen Baustoffe. Auch wird angezeigt, für welche Anwendungen die jeweiligen Materialien geeignet sind – etwa als Bodenbelag oder zur Dach-, Decken- und Wandverkleidung und ob sie wiederverwertet werden können. Ergänzt wird das digitale Angebot durch hochwertige Fotografien sowie Datenblätter.

Schnittstelle zwischen Theorie und Praxis

Die physische Materialbibliothek des KIT wurde bereits 1968 gegründet und gilt als wichtige Schnittstelle zwischen architektonischer Theorie und Praxis. Die neue Online-Plattform ist Teil des nationalen Netzwerks „Materialbibliothek Deutscher Hochschulen“ (MDH), das vom KIT mitinitiiert wurde und das Fachwissen zahlreicher architektonischer Materialsammlungen bündelt. „Zugleich fördert die neue Materialdatenbank die Netzwerkbildung zwischen den teilnehmenden Hochschulen, deren Fachkompetenzen und Forschungsschwerpunkte hinsichtlich Baumaterialien zusammengebracht und öffentlich zugänglich gemacht werden“, so Hebel.

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Leistungsfähige Stromspeicher sind die Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende. Doch herkömmliche Batterien benötigen bestimmte Metalle, deren Abbau für Mensch und Umwelt schädlich ist. Eine vielversprechende Alternative sind daher Natrium-Ionen-Batterien, die aus lokal verfügbaren und umweltfreundlichen Rohstoffen hergestellt werden.  Im Projekt ThüNaBsE entwickeln Forschende des Fraunhofer IKTS und der Friedrich-Schiller-Universität Jena nun einen solchen nachhaltigen Energiespeicher.

Natrium-Ionen-Batterie aus Holzabfällen

Das Team nutzte dafür Lignin, ein Hauptbestandteil von Holz, das als Nebenprodukt in der Papier- und Zellstoffindustrie anfällt. Mithilfe des Biopolymers soll eine neuartige und zugleich kostengünstige, sichere und ressourcenschonende Natrium-Ionen-Batterie entstehen, die ohne kritische Rohstoffe auskommt. „Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten. Zudem möchten wir den Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt möglichst niedrig halten und erproben, inwiefern er sich komplett vermeiden lässt“, sagt Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS in Arnstadt.

Hard Carbon aus Lignin als Elektrodenmaterial

Den Forschenden zufolge wird das Lignin zu sogenanntem Hard Carbon verarbeitet und als Material für die negative Elektrode eingesetzt. Dafür soll vor allem lokal verfügbares und hochwertiges Lignin als Elektrodenmaterial verwendet werden. Für die positive Elektrode werden wiederum ungiftige Eisenverbindungen genutzt.

Einsatz als stationäre und mobile Energiespeicher 

Erste Tests der Demonstratorzellen verlaufen den Forschenden zufolge vielversprechend: Nach 100 Ladezyklen zeigen die Prototypen kaum Leistungseinbußen. Bis Projektende soll eine 1-Amperestunden-Zelle 200 Zyklen erreichen. Perspektivisch könnten die Batterien als stationäre Speicher oder in mobilen Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf – etwa in Microcars oder Gabelstaplern – eingesetzt werden.

Das Projekt ThüNaBsE wird vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds gefördert. Nach Abschluss ist eine Skalierung der Technologie und der Übergang zu höheren Reifegraden geplant.

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Die neuen Verfahren des Genome Editing, zu denen auch die Genschere CRISPR-Cas gehört, revolutionieren seit langem die biologische Forschung und bergen großes Potenzial für Anwendungen in der Landwirtschaft und Pflanzenzüchtung. Doch ihr Einsatz ist umstritten. Vor allem bei der Regulierung gehen die Meinungen auseinander. Der Münchner Theologe und Sozialethiker Stephan Schleissing erläutert im Interview, warum auch ethische Überlegungen in den gesellschaftlichen Diskurs einbezogen werden müssen.

Künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Robotik haben längst Einzug in die Bioökonomie gehalten – auf dem Feld ebenso wie im Labor. Mithilfe von Sensoren und Drohnen werden Böden, Pflanzen und Tiere in Echtzeit überwacht. Im Pflanzenbau helfen Algorithmen, Erträge zu steigern und Ressourcen zu schonen und in der Fischzucht optimieren sie Fütterung und Wasserqualität. Im Labor können mithilfe intelligenter Systeme Experimente geplant und Daten ausgewertet werden und so die Entwicklung neuartiger biobasierter Materialien vorangetrieben werden. Und auch bei der Skalierung von Fermentationsprozessen sorgt KI für mehr Effizienz und Geschwindigkeit.

Die Multimedia-Story "Künstliche Intelligenz in der Bioökonomie" lädt ein, sich in unserem KI-Labor umzuschauen und vier spannende Beispiele zu entdecken, die zeigen, wie Künstliche Intelligenz für mehr Nachhaltigkeit eingesetzt werden kann.

Roggen gehört zu den Süßgräsern und überzeugt vor allem durch seine Frostfestigkeit und hohen Erträge, auch auf nährstoffarmen Böden oder bei Trockenstress. Damit könnte die Pflanze künftig eine wichtige Rolle bei der Ernährungssicherung spielen. Eine aktuelle Studie von Forschenden des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) liefert nun neue Erkenntnisse zur Fortpflanzung von Roggen. Darin wird aufgezeigt, wie stark Umweltbedingungen, insbesondere Nährstoffmangel, die Neukombination von Genen während der Reifeteilung, der sogenannten Meiose, beeinflussen.

Gen-Austausch von Roggen bei Umweltstress untersucht

Für die Untersuchung analysierte das Team mehr als 500 Roggenpflanzen, die sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Nährstoffstress auf dem traditionsreichen Versuchsfeld „Ewiger Roggenanbau“ wuchsen. Die Forschenden sammelten dafür Pollen und sequenzierten über 3.000 einzelne Spermienzellen. Dadurch konnten sie exakt bestimmen, wie viele sogenannte Crossover-Ereignisse – also Austauschprozesse zwischen den Chromosomen – bei jeder Pflanze stattfanden und wo sie auf dem Chromosom lagen. Zum ersten Mal wurde dieser Vorgang in so großem Umfang direkt in den Pollen untersucht, dem Ort, an dem die Neukombination tatsächlich abläuft.

Durchmischung der Gene bei Nährstoffmangel geringer

Die Studie ergab, dass sich die Gene der Pflanzen bei Nährstoffmangel deutlich weniger neu mischen als bei ausreichender Nährstoffversorgung. „Das kann man sich so vorstellen wie beim Kartenspielen: Wenn die Karten nur halbherzig gemischt werden, entstehen weniger neue Kombinationen“, erklärt Erstautorin Christina Wäsch von der MLU. Besonders empfindlich reagierten demnach alte Sorten und Wildformen, während moderne Zuchtsorten stabiler blieben. Für die Forschenden ist das ein Hinweis darauf, wie stark die genetische Vielfalt die Reaktion der Pflanzen auf Umweltveränderungen beeinflusst.

Impulse für die Pflanzenzüchtung

Zusätzlich identifizierte das Team zahlreiche genetische Regionen, die die Rekombinationsrate steuern. „Wir konnten in unserer Studie zeigen, dass die Rekombinationsrate nicht von einem Hauptschalter gesteuert wird, sondern von zahlreichen kleinen genetischen Regionen gleichzeitig“, erklärt Steven Dreissig vom IPK. Die Forschenden sind überzeugt, dass die Ergebnisse wichtige Impulse für die Pflanzenzüchtung liefern können. Wenn es gelingt, Rekombination gezielt zu beeinflussen, könnten schneller neue, widerstandsfähige Nutzpflanzen entwickelt werden.

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Rye belongs to the sweet grass family and is particularly impressive due to its frost resistance and high yields, even on nutrient-poor soils or under drought stress. This means that the plant could play an important role in food security in the future. A recent study by researchers at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) and Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) now provides new insights into the reproduction of rye. It shows how strongly environmental conditions, especially nutrient deficiency, influence the recombination of genes during meiosis, the division of gametes.

Gene exchange in rye under environmental stress investigated

For the study, the team analysed more than 500 rye plants that grew under both normal conditions and nutrient stress on the traditional ‘perpetual rye cultivation’ experimental field. The researchers collected pollen and sequenced over 3,000 individual sperm cells. This enabled them to determine exactly how many so-called crossover events – i.e. exchange processes between chromosomes – took place in each plant and where they were located on the chromosome. For the first time, this process was investigated on such a large scale directly in the pollen, the place where the recombination actually takes place.

Less gene mixing when nutrients are scarce

The study found that plant genes mix significantly less when nutrients are scarce than when they are plentiful. ‘You can think of it like playing cards: if the cards are only shuffled half-heartedly, fewer new combinations are created,’ explains lead author Christina Wäsch from MLU. Old varieties and wild forms were particularly sensitive, while modern cultivated varieties remained more stable. For the researchers, this is an indication of how strongly genetic diversity influences the response of plants to environmental changes.

Impetus for plant breeding

In addition, the team identified numerous genetic regions that control the recombination rate. ‘In our study, we were able to show that the recombination rate is not controlled by a master switch, but by numerous small genetic regions simultaneously,’ explains Steven Dreissig from the IPK. The researchers are convinced that the results can provide important impetus for plant breeding. If it is possible to specifically influence recombination, new, resistant crops could be developed more quickly.

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• Künstliche Intelligenz in der Bioökonomie

​        1.    Video Datenregen – Adobe Stock 
​        2.    Video Datenregen – Adobe Stock 
        3.    Illustration Titelbild – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder

• KI in der Landwirtschaft

        1.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        2.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        3.    Video-Loop PhenoRob (Ausschnitt) – Lentfer Filmproduktion 
​        4.    Foto Feldroboter – Volker Lannert
​        5.    Video Automated Leaf-level Inspection – Lentfer Filmproduktion 
​        6.    Foto Feldversuche – Lentfer Filmproduktion 
​        7.    Video Bee Demonstrator (Ausschnitt) – Lentfer Filmproduktion
​        8.    Foto Ribana Roscher – PhenoRob 
​        9.    Video DynamoBot (Ausschnitt) – Lentfer Filmproduktion
        10.   Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        11.   Illustration leeres Labor – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder

• Optimierte Aquakultur

​        1.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        2.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        3.    Foto Fische in Aquakultur – Seawater Cubes 
​        4.    Videoloop Aquakulturanlagen –  Seawater Cubes 
​        5.    Video Aquakulturanlage (Ausschnitt) – Seawater Cubes 
​        6.    Foto Fische unter Bilderkennung – August-Wilhelm Scheer Institut
​        7.    Foto Laura Bies – Laura Bies
​        8.    Foto Fischtank & Fische unter Bilderkennung – August-Wilhelm Scheer Institut
        9.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        10.  Illustration Leeres Labor – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder

• Digitaler Zwilling

​        1.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        2.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        3.    Foto Team Differential Bio –  Differential Bio
​        4.    Foto Team Differential Bio / Video Christian Spier –  Differential Bio
​        5.    Videoloop Labor –  Differential Bio
​        6.    Foto Labor / Datensätze – Differential Bio
​        7.    Foto Team Differential Bio – Differential Bio
​        8.    Illustration Digitaler Zwilling – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
        9.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        10.  Illustration leeres Labor – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder

• Neuartige Materialien

​   ​     1.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        2.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        3.    Foto Team / Foto Produkte – Kathleen Pracht, Cambrium  / Katja Wehling
​        4.    Video Mitchell Duffy –  Biocom
​        5.    Foto Team Cambrium –  Katja Wehling
​        6.    Videoloop Proteindesign – Biocom
​        7.    Videoloop Labor – Biocom
​        8.    Foto Proteindesign – Biocom
        9.    Illustration Kapitel – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder
​        10.  Illustration leeres Labor – Katja Wehling auf Grundlage KI-generierter Bilder

Hafer zählt zu den bedeutenden Nutzpflanzen und bietet vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Doch die heutigen Hafersorten stehen, wie viele andere Nutzpflanzen, vor großen Herausforderungen: Hitze, Trockenheit und neue Krankheiten setzen ihnen zu. Um widerstandsfähigere Sorten zu züchten, braucht es ein genaues Verständnis ihrer Gene. Genau das ist Forschenden der Technischen Universität München (TUM), vom Helmholtz Munich und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) nun gelungen. Gemeinsam haben sie mit internationalen Partnern das Pangenom von 33 Haferlinien entschlüsselt. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Alte und wilde Sorten könnten robuster sein

Ein Pangenom erfasst die gesamte genetische Vielfalt der untersuchten Sorten. Es umfasst sowohl Gene, die in allen Linien vorkommen, als auch solche, die nur in einzelnen Pflanzen vorhanden sind. Das Team analysierte Genome von Haferlinien aus verschiedenen Regionen der Welt. „Unsere Ergebnisse bilden ein Fundament, das uns helfen wird, zu verstehen, welche Gene für Ertrag, Klimaanpassung und Pflanzengesundheit wichtig sind“, erklärte Nadia Kamal, Professorin für Computational Plant Biology an der TUM. Die Forschenden untersuchten 26 kultivierte – darunter auch alte – sowie mehrere wilde Sorten. Die Einbeziehung dieser Linien war entscheidend, da moderne Zuchtsorten vor allem auf Ertrag optimiert wurden, wodurch andere vorteilhafte Eigenschaften verloren gegangen sind. Alte und wilde Sorten könnten solche Merkmale bewahrt haben, etwa eine höhere Widerstandskraft gegenüber Trockenheit oder Krankheiten.

Hafer als klimaresilientes Getreide

Das Team um Nadia Kamal untersuchte, wie tausende Gene in verschiedenen Pflanzenteilen und Haferlinien aktiv sind. Unterschiede in der Genaktivität spiegeln häufig die geografische Herkunft wider – ein Hinweis darauf, dass sich Haferpopulationen durch gezielte Genregulation an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst haben. Auf dieser Grundlage erstellten die Forschenden von 23 Haferlinien ein Pantranskriptom, ein Aktivitätsverzeichnis der Gene. „Die Kombination aus Pangenom und Pantranskriptom eröffnet neue Möglichkeiten, Haferlinien zu züchten, die sowohl ertragreich als auch an unterschiedliche Klimabedingungen angepasst sind“, so Manuel Spannagl von Helmholtz Munich.

„Hafer macht zwar im Vergleich zu Weizen, Reis und Mais einen kleineren Anteil am Markt aus, dennoch ist es wichtig, ihn in der Diskussion um klimaresilientes Getreide nicht aus dem Blick zu verlieren“, schildert Kamal. „Nicht nur ist es für unsere Gesundheit gut, eine große Bandbreite von Nahrungsmitteln zur Verfügung zu haben. Wir schaffen somit auch die Möglichkeit, etwaige Ernteausfälle anderer Arten zumindest teilweise ausgleichen zu können.“ 

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Oats are one of the most important crops and offer a wide range of uses. However, like many other crops, today's oat varieties face major challenges: heat, drought and new diseases are taking their toll. In order to breed more resistant varieties, a precise understanding of their genes is required. Researchers at the Technical University of Munich (TUM), Helmholtz Munich and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) have now succeeded in doing just that. Together with international partners, they have decoded the pangenome of 33 oat lines. The results of the study were published in the journal Nature.

Old and wild varieties could be more robust

A pangenome captures the entire genetic diversity of the varieties studied. It includes both genes that occur in all lines and those that are only present in individual plants. The team analysed genomes from oat lines from different regions of the world. ‘Our results form a foundation that will help us understand which genes are important for yield, climate adaptation and plant health,’ explained Nadia Kamal, Professor of Computational Plant Biology at TUM. The researchers examined 26 cultivated varieties, including some old ones, as well as several wild varieties. The inclusion of these lines was crucial, as modern cultivars have been optimised primarily for yield, resulting in the loss of other beneficial traits. Ancient and wild varieties may have retained such traits, such as greater resistance to drought or disease.

Oats as a climate-resilient cereal

Nadia Kamal's team investigated how thousands of genes are active in different parts of plants and oat lines. Differences in gene activity often reflect geographical origin – an indication that oat populations have adapted to different environmental conditions through targeted gene regulation. On this basis, the researchers created a pantranscriptome, an activity directory of genes, from 23 oat lines. ‘The combination of pangenome and pantranscriptome opens up new possibilities for breeding oat lines that are both high-yielding and adapted to different climatic conditions,’ says Manuel Spannagl of Helmholtz Munich.

‘Although oats account for a smaller share of the market than wheat, rice and maize, it is important not to lose sight of them in the discussion about climate-resilient cereals,’ explains Kamal. "Not only is it good for our health to have a wide range of foods available. It also enables us to at least partially compensate for any crop failures of other species."

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